孔缝联合气泡减阻装置

1.本发明涉及船舶与海洋工程减阻技术领域，更具体地说，涉及一种孔缝联合气泡减阻装置。


背景技术：

2.摩擦阻力是船体所受阻力的重要组成部分，气体减阻技术机理清晰，是最有望大幅降低船舶所受摩擦阻力的技术之一。气体减阻技术通过在水下释放气体，在船舶部分湿表面与水之间，形成一层均匀的气膜，降低船舶部分湿表面流体动力粘度，达到显著降低摩擦阻力的目的。
3.现有的气体减阻装置通常有两种释放气体的形式，一种用孔洞释放气泡，或者用多孔介质生成气泡(王家楣,姜曼松,郑晓伟,等.不同喷气形式下船舶微气泡减阻水池试验研究[j].华中科技大学学报(自然科学版),2004,32(12):78-80.doi:10.3321/j.issn:1671-4512.2004.12.028.)；另一种用船体表面细长的喷缝来释放气体。前者发出的气泡较难发生融合，不容易在船底板形成均匀气层，影响减阻效果。后者气泡融合情况较前者更优，且与前者相同喷气量情况下更易达到最大减阻效果，但是形成的气层附着性较差(hao,w u.,yongpeng,o.,&qing,y.e.(2019).experimental study of air layer drag reduction on a flat plate and bottom hull of a ship with cavity.ocean engineering,183,236
–
248.)。
[0004]
船底板断阶和凹槽的使用可较好地改善船底板的气层情况，但无论断阶还是凹槽的使用，都对船体的型线有一定的影响。这不仅增大了船舶加工难度和成本，还可能增加船舶的形状阻力。另外，凹槽的存在对船底板的强度也是一个较大的考验。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的技术问题在于，提供一种孔缝联合气泡减阻装置，其将孔状喷气和缝状喷气联合起来，促进船底板气泡的融合，同时不改变船底板型线，在此基础上增大船底板气泡发生融合的面积，使船底板表面形成相对稳定、均匀的气层，提高减阻效率。
[0006]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种孔缝联合气泡减阻装置，包括设置在船底板的多个空腔，所述空腔内设置气泡发生器，所述气泡发生器包括一个第一气泡发生器和多个第二气泡发生器，所述空腔上方通过管道连接气源，所述第一气泡发生器为缝状发泡器，所述第二气泡发生器为孔状气泡发生器，所述第一气泡发生器和第二气泡发生器横向对称纵向分布的设置在船底板，所述第一气泡发生器设置在靠近船首处，所述第二气泡发生器设置在船中部及船尾部；
[0007]
所述第一气泡发生器为矩形缝状开口的气泡发生器，所述第一气泡发生器的矩形封装开口处设置方形导流壁，所述方形导流壁底部通过轴承结构与船底板固定，所述方形导流壁两外侧的中部通过滑轴与推拉杆连接；
[0008]
所述第二气泡发生器为圆形开孔的气泡发生器，所述第二气泡发生器的圆形开孔
上部设置喷气管，所述喷气管底部与船底板开孔截面间通过弹性密封圈连接，所述喷气管中部通过轴承结构固定。
[0009]
按上述方案，所述第二气泡发生器设置有两个，分别为前第二气泡发生器和后第二气泡发生器，所述第一气泡发生器设置在船体肩部前沿船长方向0.3b～0.35b处，所述前第二气泡发生器设置在船体肩部后0.25b～0.3b，所述后第二气泡发生器设置在前第二气泡发生器设置沿船长方向后1b～1.05b处，b为船体底部最大宽度。
[0010]
按上述方案，所述第一气泡发生器的矩形封装开口的宽度为3mm～5mm，所述第二气泡发生器为圆形开孔直径为4mm～6mm，所述第二气泡发生器开设的圆形开孔为一排均匀分布。
[0011]
按上述方案，所述管道上设置控制气量或者控制气泡发生器是否工作的流量控制阀。
[0012]
按上述方案，所述方形导流壁底部与船底板设置在同一水平面。
[0013]
按上述方案，所述喷气管为圆柱形，所述喷气管直径为2mm～4mm。
[0014]
实施本发明的孔缝联合气泡减阻装置，具有以下有益效果：
[0015]
1、本发明所提供的孔缝联合的气泡减阻装置，喷缝在前，喷孔在后，利用缝喷气泡初始融合度高，初步贯通的特点，促进船底板气泡的整体融合，同时不改变船底板型线；
[0016]
2、本发明通过大量的数值模拟，确定不同航速下气泡融合情况最好时的孔缝的气泡发生器的布置情况，优化融合效果，从而增大船底板气泡发生融合的面积，使船底板表面迅速形成相对稳定、均匀的气层，提高减阻效率；
[0017]
3、本发明吸收了现有的单独孔喷气泡减阻装置气泡附着性较好、单独缝喷气泡融合情况好形成气层快速的优点，并在一定程度上弥补了它们的短板，避免了断阶和凹槽对船底板型线带来的负面效果。
附图说明
[0018]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0019]
图1是本发明孔缝联合气泡减阻装置的俯视结构示意图；
[0020]
图2是本发明孔缝联合气泡减阻装置的侧视结构示意图；
[0021]
图3是本发明孔缝联合气泡减阻装置的局部放大图；
[0022]
图4是本发明的喷孔结构局部放大俯视图。
具体实施方式
[0023]
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
[0024]
如图1-4所示，本发明的孔缝联合气泡减阻装置，包括设置在船底板4的多个空腔5，空腔5内设置气泡发生器，气泡发生器包括一个第一气泡发生器1和多个第二气泡发生器2，空腔5上方通过管道连接气源6，第一气泡发生器1为缝状发泡器，第二气泡发生器2为孔状气泡发生器，第一气泡发生器1和第二气泡发生器2横向对称纵向分布的设置在船底板4，第一气泡发生器1设置在靠近船首处，第二气泡发生器2设置在船中部及船尾部。
[0025]
第一气泡发生器1为矩形缝状开口的气泡发生器，第一气泡发生器1的矩形封装开
口处设置方形导流壁9，方形导流壁9底部与船底板4设置在同一水平面。方形导流壁9底部通过轴承结构8与船底板4固定，方形导流壁9两外侧的中部通过滑轴12与推拉杆7连接；第二气泡发生器2为圆形开孔的气泡发生器，第二气泡发生器2的圆形开孔上部设置喷气管，喷气管为圆柱形，喷气管直径为2mm～4mm。喷气管底部与船底板4开孔截面间通过弹性密封圈11连接，喷气管中部通过轴承结构8固定。第二气泡发生器2设置有两个分别为前第二气泡发生器3和前第二气泡发生器13，第一气泡发生器1设置在船体肩部前沿船长方向0.3b～0.35b处，前第二气泡发生器3设置在船体肩部后0.25b～0.3b，后第二气泡发生器13设置在前第二气泡发生器3沿船长方向后1b～1.05b处，b为船体底部最大宽度。第一气泡发生器1的矩形封装开口的宽度为3mm～5mm，第二气泡发生器2为圆形开孔直径为4mm～6mm，第二气泡发生器2开设的圆形开孔为一排均匀分布。
[0026]
本发明的孔缝联合气泡减阻装置包括一组缝状气泡发生器和多组孔状气泡发生器。缝状气泡发生器靠近船首设置，为第一气泡发生器1；孔状气泡发生器为一排圆形开孔，依次位于缝状发生器后，本实施例中根据船体长度和宽度设置数量包括2个分别为前第二气泡发生器3和前第二气泡发生器13。孔缝联合气泡减阻装置于船底板4纵向分布，并且横向对称设置。一组缝状气泡发生器在前，为第一气泡发生器1，两组孔状气泡发生器在后，分别为前第二气泡发生器3和前第二气泡发生器13。各气泡发生器于船底板4纵向对称分布，喷气缝与喷气孔气体出口的角度可随船舶航速调节。在数值模拟研究结论的基础上，使喷气孔和喷气缝合理分布于船底板4的特定位置，利用孔喷和缝喷气泡的运动和融合特性，制定一个可靠的孔缝联合方案，较单独的孔或缝状气泡减阻装置，能形成更均匀、更稳定、覆盖面积更大的气层，有更好的减阻效果。平底船是船舶的一种典型结构，平底船底板部的结构适合微气泡的附着，采用平底结构部分船舶例如宽扁型江海直达船，摩擦阻力在总阻力的占比较高，气泡减阻装置带来的收益也比较大；本发明以其为例进行说明，具有较好的示范意义，但并不代表本装置只适用于图示船舶或平底船。
[0027]
本发明的优选实施例中，第一气泡发生器1位于船体肩部前沿船长方向0.3b～0.35b(b为船体底部最大宽度)处，为矩形缝状开口，宽度为3mm～5mm，开口长度由船体底部宽度b决定；前第二气泡发生器3位于船体肩部后0.25b～0.3b，为一排圆形开孔，开孔直径范围是4mm～6mm，开孔数量由船体底部宽度b决定，圆形开孔与圆形开孔之间距离相等，均匀分布；由于该实例船底板4长度较大，所以设置后第二气泡发生器13，其位于船首后沿船长方向2.45b～2.5.b，亦为一排圆形开孔；缝喷会在前面形成一个内部初步融合贯通的较大气泡，易于融合后续孔喷较为孤立的串状气泡，并会填充孔喷串状气泡间的缝隙，促进其周向融合。不同气泡发生器间的距离，开孔数量，和气量分布建立在大量的数值模拟研究结论的基础上，不合适的距离和开孔数量都会影响气泡融合的效应，甚至降低气泡减阻的效果。所有气泡发生器均设置在空腔5内，空腔5上方通过管道连接气源6，空腔5的腔体可调节气体喷出前的压力大小，减小压力脉动，并利用流量阀门等装置控制气量或控制气泡发生器是否工作。
[0028]
本发明的优选实施例中，第一气泡发生器1喷缝中设置有方形导流壁9，方形导流壁9的底部与船底板4在同一水平面上，始终保证船底板4表面的平整，避免形状阻力的增加。方形导流壁9利用推拉杆7推动前后壁面，推拉杆7与方形导流壁9通过滑轴12相固定，达到铰接的效果。方形导流壁9底部通过轴承结构8与船底板4相固定，给予方形导流壁9旋转
自由度。气体喷出速度方向与船底板4法线的夹角在减小角度时，左边推拉杆7左拉，右边推拉杆7同步左推；增大角度时，左边推拉杆7右推，右边推拉杆7同步右拉。在前第二气泡发生器3和后第二气泡发生器13中，所有开孔中各设有一圆柱形喷气管，直径一般为2mm～4mm，喷气管和船底板4开孔截面间用弹性密封圈11连接，中部用轴承结构8结构于喷气管前后(垂直于图片向外为前)外侧固定，配合推拉杆7达到调控角度的目的。在一定的航速下，喷气口以一定的倾斜角度排气时，喷气口与来流的阻抗作用较弱，喷气孔和喷气缝处压力较直孔排气小，空腔5与船底板4的压差大，且沿着船长向船尾的水平分速度大，能够更快地在船底板4形成气层。船底板4压力分布更均匀的同时，改善了船底板4流动的稳定性，进一步减小了气泡的湮灭。
[0029]
本发明产生气泡的过程如下：
[0030]
第一气泡发生器1为缝状开口，喷气量较大，产生的气泡较不平整，但缝喷产生的气泡密集，气泡首先发生纵向和横向融合，形成一个内部初步贯通的较大气泡，在船底板4水流的作用下沿着底板向后移动。此时，前第二气泡发生器3也在产生气泡，但产生的气泡为孔喷气泡，前第二气泡发生器3产生的气泡融合不够充分，较为分散，形状如串。前面内部初步贯通的较大气泡移动到前第二气泡发生器3时，将更多孤立的微气泡吸收融合，同时填满串状气泡间的间隙，促进其周向融合，从而形成更大更均匀的内部贯通气泡。紧接着贯通气泡继续向下移动到前第二气泡发生器13，发生更稳定更彻底的融合，从而在整个船底板4形成成片的联合贯通气泡或者说气层，降低船底板4边界层的粘度和密度，达到显著降低摩擦阻力的目的。
[0031]
当船身更宽更长时，可设置更多的分支管道、相应的阀门和对应的空腔5，空腔5可调节气体喷出前的压力大小，减小压力脉动。将每个气泡发生器的空腔5细分为三个部分，从船首到船尾从左舷到右舷分别命名为喷气区域1.1、1.2、1.3、3.1、3.2、3.3、13.1、13.2、13.3。孔缝联合气泡发生器不同区域和气量之间的配合，在船舶不同的弗劳德数时，会在船底板4产生不同覆盖程度的气层，更为精细的控制会使得船舶得到更好的减阻效果。可以适当调整气泡发生器的位置，来满足不同型线船舶的减阻需求。可将第二气泡发生器2—多孔气泡发生器更换为较大面积的单孔喷气装置，以期望形成不同的联合喷气形式，达到更好的减阻效果。
[0032]
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种孔缝联合气泡减阻装置，包括设置在船底板的多个空腔，其特征在于，所述空腔内设置气泡发生器，所述气泡发生器包括一个第一气泡发生器和多个第二气泡发生器，所述空腔上方通过管道连接气源，所述第一气泡发生器为缝状发泡器，所述第二气泡发生器为孔状气泡发生器，所述第一气泡发生器和第二气泡发生器横向对称纵向分布的设置在船底板，所述第一气泡发生器设置在靠近船首处，所述第二气泡发生器设置在船中部及船尾部；所述第一气泡发生器为矩形缝状开口的气泡发生器，所述第一气泡发生器的矩形封装开口处设置方形导流壁，所述方形导流壁底部通过轴承结构与船底板固定，所述方形导流壁两外侧的中部通过滑轴与推拉杆连接；所述第二气泡发生器为圆形开孔的气泡发生器，所述第二气泡发生器的圆形开孔上部设置喷气管，所述喷气管底部与船底板开孔截面间通过弹性密封圈连接，所述喷气管中部通过轴承结构固定。2.根据权利要求1所述的孔缝联合气泡减阻装置，其特征在于，所述第二气泡发生器设置有两个，分别为前第二气泡发生器和后第二气泡发生器，所述第一气泡发生器设置在船体肩部前沿船长方向0.3b～0.35b处，所述前第二气泡发生器设置在船体肩部后0.25b～0.3b，所述后第二气泡发生器设置在前第二气泡发生器沿船长方向后1b～1.05b处，b为船体底部最大宽度。3.根据权利要求2所述的孔缝联合气泡减阻装置，其特征在于，所述第一气泡发生器的矩形封装开口的宽度为3mm～5mm，所述第二气泡发生器为圆形开孔直径为4mm～6mm，所述第二气泡发生器开设的圆形开孔为一排均匀分布。4.根据权利要求1所述的孔缝联合气泡减阻装置，其特征在于，所述管道上设置控制气量或者控制气泡发生器是否工作的流量控制阀。5.根据权利要求1所述的孔缝联合气泡减阻装置，其特征在于，所述方形导流壁底部与船底板设置在同一水平面。6.根据权利要求1所述的孔缝联合气泡减阻装置，其特征在于，所述喷气管为圆柱形，所述喷气管直径为2mm～4mm。

技术总结
本发明涉及一种孔缝联合气泡减阻装置，包括设置在船底板的多个空腔，所述空腔内设置气泡发生器，所述气泡发生器包括一个第一气泡发生器和多个第二气泡发生器，所述空腔上方通过管道连接气源，所述第一气泡发生器为缝状发泡器，所述第二气泡发生器为孔状气泡发生器，所述第一气泡发生器和第二气泡发生器横向对称纵向分布的设置在船底板，所述第一气泡发生器设置在靠近船首处，所述第二气泡发生器设置在船中部及船尾部；所述第一气泡发生器为矩形缝状开口的气泡发生器，所述第一气泡发生器的矩形封装开口处设置方形导流壁。本发明增大船底气泡发生融合的面积，使船底表面形成相对稳定、均匀的气层，提高减阻效率。提高减阻效率。提高减阻效率。


技术研发人员：杨留名 柳仕成 裴志勇 敖雷 吴卫国 孔祥韶
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/25